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Application of particle swarm optimization in inverse finite element modeling to determine the cornea ́s mechanical behavior
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Resumo
A otimização por enxame de partículas (PSO) foi usada na modelagem por elementos finitos a
fim de se prever as propriedades do material da córnea humana por meio de análise inversa. Deslocamentos
experimentais foram obtidos por meio de amostras de córneas provenientes de doadores com
aproximadamente 50 anos de idade, as quais sofreram pressão intra-ocular. A análise inversa via Elementos
Finitos e baseada no PSO a partir de dados experimentais foi usada para determinar os parâmetros do
material de córneas, utilizando como referência o modelo hiperelástico de Ogden de primeira ordem. A
análise inversa por Elementos Finitos também foi executada por um programa comercial de otimização e
foram encontrados os mesmos valores dos parâmetros do material, o que serviu para validar o resultado do
PSO. Além disso, o número de iterações necessárias para a otimização, tanto para o PSO quanto para o
programa comercial, foi comparado para avaliar a velocidade de conversão para uma solução global ótima.
O estudo mostrou que as análises baseadas no PSO produziram resultados semelhantes com menos
iterações para a análise inversa, o que demonstrou o potencial do PSO em controlar o processo de análise
inversa para determinar as propriedades mecânicas da córnea por meio de modelagem via Elementos
Finitos.
Abstract
Particle Swarm Optimization (PSO) was foregrounded by finite element (FE) modeling to predict the material properties of the human cornea through inverse analysis. Experimental displacements have been obtained for corneas of a donor approximately 50 years old, and loaded by intraocular pressure (IOP). FE inverse analysis based on PSO determined the material parameters of the corneas with reference to first-order, Ogden hyperelastic model. FE analysis was repeated while using the commonly-used commercial optimization software HEEDS, and the rates of the same material parameters were used to validate PSO outcome. In addition, the number of optimization iterations required for PSO and HEEDS were compared to assess the speed of conversion onto a global-optimum solution. Since PSO-based analyses produced similar results with little iteration to HEEDS inverse analyses, PSO capacity in controlling the inverse analysis process to determine the cornea material properties via finite element modeling was demonstrated.
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MAGALHÃES, R. et al. Application of particle swarm optimization in inverse finite element modeling to determine the cornea ́s mechanical behavior. Acta Scientiarum. Technology, Maringá, v. 39, n. 3, p. 325-331, July/Sept. 2017.
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